Les Poutres Tridimensionnelles [PDF]

Zitiervorschau

2014 Treillis Tridimensionnelles

Les poutres tridimensionnelles Les poutres tridimensionnelles tubulaires sont fréquemment utilisées dans les constructions métalliques actuelles. La structure métallique du terminal de l'aéroport de Kansaï en est composée, elles portent la toiture du terminal. Ces poutres ont une portée de 83 mètres. Leur liaison au sol est assurée par desquadripodes. Les tubes ont été assemblé en atelier afin de formé la poutre qui fut ensuite amené sur place pour le montage.

1. Fabrication des tubes Les tubes sont fabriqués à partir de tôles minces ou moyennes repliées dans le sens de leur longueur. Les soudures sont longitudinales pour les profils creux de petits et moyens diamètres (jusqu’à 400 mm), hélicoïdales pour les diamètres plus importants jusqu’à 1000 mm environ. Ils sont dans ce cas toujours ronds. Après soudage, la surépaisseur du cordon de soudure est rabotée pour obtenir une surface

extérieure lisse. Les tubes sont fortement utilisés dans les ouvrages modernes car ils ont des avantages non négligeables vis-à-vis des poutres traditionnelles en double ‘T’. Tout d’abord, ils sont beaucoup plus légers vu les évidements à l’intérieur de ceux-ci. Ensuite, elles résistent bien à la traction-compression efforts pour lesquelles les tubes sont utilisés dans les poutres tridimensionnelles.

1.1 Le pré-perçage des tubes La construction en tube nécessite de nombreuses opérations délicates notamment la préparation et la découpe des extrémités des éléments constructifs avant assemblage et soudage de l’ensemble. Mais une nouvelle technique d’assemblage a vu le jour. Désormais, il est possible de pré-découper ou de pré-percer des trous avec une extrême précision. Les avantages de cette technique sont évidents. Le parachèvement est désormais restreint aux éléments principaux, ce qui réduit le nombre de pièces à travailler. De plus, le positionnement est non seulement plus facile mais aussi plus rapide. Ce nouveau système permet de réduire le coût des constructions métalliques de 15 à 20%, selon la complexité de la structure. Avant ce type de technique, les tubes étaient coupés de manière à épouser la forme du tube sur lequel ils devaient se poser; ce qui allongeait considérablement la préparation d’une poutre tridimensionnelle.

Nouvelle technique du pré perçage

Technique traditionnelle

2. Assemblage : soudage Le soudage est un moyen d’assemblage fréquemment utilisé dans les structures métalliques , par ailleurs il existe plusieurs façons de souder . Lors de la préfabrication des éléments en atelier, l’assemblage est systématiquement réalisé par soudage. Son grand avantage est de permettre la continuité de la matière ente 2 éléments différents. Ce qui est non négligeable dans la transmission des contraintes entre les différents éléments d’une structure.

La continuité est réalisée grâce aux cordons de soudure qui provient de la fusion partielle des éléments à assembler. Comme je l’ai dit précédemment, il existe plusieurs manières de souder. Je vais ici en détailler une : le soudage à l’arc. Dans cette technique, la fusion est provoquée par le passage d’un courant électrique de forte intensité (environ 500 A ) entre l’électrode et le métal au travers d’un arc électrique. L’électrode, souvent composée d’acier, fond et se répand sur le métal de base. Il y a ainsi mélange entre les 2 métaux. La résistance à la rupture du métal d’apport est généralement plus élevée que celle des éléments à souder (pour éviter une faiblesse par rapport au transfert des efforts). La fusion de l’acier se produisant à 1300 °C, la formation du cordon se produit à cette température.

PROBLEMES : On rencontres plusieurs problèmes lors du soudage de 2 éléments : - La trempe : Cela correspond à un refroidissement de l’acier qui se situe à une température de plus de 900 °C jusqu’à la température ambiante. Ce qui a pour conséquence de figer la structure cristalline. Le cordon de soudure est alors beaucoup plus dur et cassant. Il y a fragilisation du lieu de transition des efforts entre les pièces. Ce phénomène est très présent dans l’acier car il a un coefficient de transfert de chaleur élevé. La solution apportée est le préchauffage préalable des métaux à souder. Cette solution n’est pas acceptable pour le soudage entre élément de grand volume. Une autre solution est préconisée, il s’agit d’utiliser une plus grande intensité électrique. Ainsi, l’apport en chaleur s’en trouvera augmenté d'où une plus longue dissipation à travers l’acier. Ce qui permettra à la structure cristalline de ce former normalement. - Le retrait : Lors du refroidissement du cordon, il y a une contraction de celui-ci. Ceci qui a pour conséquence d'engendrer un développement de contraintes qui peuvent créer des déformations plastiques. Il peut y avoir par exemple formation d’une flèche. La solution pour ce genre de cas est l’exécution d’une contre flèche. Lorsque le cordon se contractera, les éléments prendront la forme souhaitée.

3.Propriétés des poutres tridimensionnelles Tout d’abord contrairement aux poutres triangulaires traditionnelles, les poutres tridimensionnelles ont un moment d’inertie élevé dans 2 directions. Ce qui leur confèrent une résistance appréciable aux différents efforts mis en jeu dans une construction.

Ensuite, on peut augmenter son inertie verticale sans engendrer un phénomène de déversement. L’inertie verticale est en effet important lorsqu’on a une charge répartie le long de la poutre. Ayant une inertie élevée, cela lui assure une stabilité parfaite. Par ailleurs, avec ce genre de poutres on peut rechercher une inertie maximale sans pour autant augmenter fortement son poids. PROBLEMES : Dans la poutre, les tubes sont uniquement soumis à des efforts de tractioncompression. La compression des barres peut entraîner un phénomène deflambement de ces barres. Pourquoi donc avoir choisi ce genre de tubes? Car la capacité des éléments comprimés à transmettre des efforts de compressions importants est liée à la valeur du rayon de giration "i" de leur section transversale (Pour rappel : i²=I/A [m²], I : inertie de la section et A : aire de la section) (dans le cas d’un tube I= π (D^4-d^4)/64 (avec D :le diamètre extérieur et d = le diamètre intérieur)). Les tubes de section uniforme représentent donc une solution optimale dans la mesure où ils permettent de maximiser ce paramètre quelle que soit la direction de flambement. Par ailleurs, les tubes sont faciles à entretenir, offrent une moindre résistance au vent et présentent des qualités esthétiques indéniables. Les attaches des tubes sont en contrepartie plus coûteuses à réaliser car plus complexes. Par ailleurs, les extrémités doivent être fermées pour assurer l’étanchéité vis-à-vis de la corrosion.

Le flambement se produit lorsque la valeur limite de la force de compression est atteinte. La force de compression limite est appelé force critique d’Euler(Ncr) et se calcul comme suit : Ncr = π²EI/lk² E=module de Young de la matière considérée lk =longueur de flambement (dans le cas d’une barre simple encastrée, c’est le cas ici lk = longueur de la poutre/2) I=i² . A ( i = rayon de giration) Si la géométrie locale du tube et sa résistance propre ne sont pas suffisantes, il sera alors soumis à un phénomène de flambement. Il y aura un point de sa circonférence qui sera fortement comprimé et à l’opposé un autre qui sera tendu. Il se développe autour de ces points une zone plastique dont les dimensions s’accroissent avec la valeur de la force de compression, ce qui a pour conséquence de diminuer la résistance de la pièce. Ce qui entraîne finalement le pliage total du tube sur luimême. On peut y remédier de plusieurs façons :  

Augmenter l’épaisseur de paroi (ça a également pour effet de diminuer les contraintes de compression) Etayer la paroi par des nervures

(ces solutions reviennent à augmenter le « moment d’inertie » local de la paroi) 

Utiliser un matériau plus raide (module d’Young E plus élevé)

4.Poutres tridimensionnelles dans la construction Pour conclure, je terminerai en citant les avantages que ce genre de poutres apportent dans les structures métalliques. Nous pouvons entre autres citer :    

montage : possibilité de pré assemblage au sol et assemblage sur chantier économie de matière légèreté transparence dans la structure générale

 

esthétique flexibilité